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木材の基礎知識

木材には生物的な多くの特色があります。基礎的な知識を身につけて有効に利用しましょう。

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かけがえのない資源「木材」

木材は他の材料、例えば金属・プラスティックなどと比較した場合、生物の体であるために多くの特色を持っています。その特色が利点となり、また時に欠点ともなります。

その特色の主なものを挙げると、
1.性質が方向によって異なる(異方性と呼ばれます)
2.木材の樹種によって性質が異なる
3.同一の樹種で、また同じ一つの樹幹で、さらに同じ年輪の中にあっても部位によって性質が変動する
などが挙げられます。

これらは木材が生物の体であるために起こる事で、これらは、
1.植物が細胞から成り立っている事
2.細胞壁にセルロースを骨格としてリグニン他多くの抽出成分が含まれている事
3.植物は成長過程で環境の影響を大きく受けるが、それが細胞の形状や構成に影響を与える事
4.もともと生物であるために、系統発生的・個体発生的な要因で細胞構成に違いが発生する事
などによって引き起こされます。

木材を利用していく際には、このような生物であるために持っている性質の特徴を十分に理解した上で、適切な利用を図る事が大切です。人の性質と同じように木材も一つ一つ姿かたちが異なり、全く同じものはこの世に二つとして存在しません。限りある大切な地球の資源である木材…。この大切な資源を後世にも残していかなければならないという命題は、私たち全てに課せられた使命であるといえるでしょう。

木材の組織構成

木材は幼木の時には全てが辺材ですが、左の図のようにある程度の大きさになると、樹幹の下部から上部に向かってその中心部に円錐形の心材が形作られ、その周囲を辺材が包むような構成になっていきます。樹種によって細かな違いもありますが、一般的に幹が大径になればなるほど心材の直径も大きくなります。

若くて肥大の活発な時期には心材の比率は低く、老齢の大径木では辺材の幅が非常に狭くなります。辺材の部分では、水分の通導と養分の貯蔵が行われていますが、心材の部分では生活細胞が無くなり、養分貯蔵をしていた柔細胞も活動を停止します。

このように心材はいわゆる「死んだ部分」と呼ばれる組織へと変化します。この辺材と心材の両者の間には、木材の性質の上でも移行的な環状の部分が存在し、これは一般的に移行材と呼ばれます。例えばスギの場合が良い例で、赤い心材と淡色の辺材の間には白色の帯となっている移行材を見ることができます。

針葉樹と広葉樹の違い

広葉樹と針葉樹の違いは、葉や容姿だけでなく、成育や導管からくる木目や色、光沢、比重の違い、用途の違いなどからもわかります。最初に地球上に生れてきたのが針葉樹で約3億年前と言われています。それ以前はシダ類が地上植物の主役であり、次に現れた針葉樹は、スギやマツのように裸のままの種から芽を出す古い形質で、進化の遅れた裸子植物に属しています。これに対して広葉樹は、ドングリやトチ、それに果実に見られるように、種を包む層があり、その外側に皮がある被子植物の双子葉類に所属します。地球上に誕生したのは、針葉樹よりはるかに遅く約1億年から1億5000年前であると言われています。

次に広葉樹と針葉樹の違いを木部に見ると、木材が生長する必須条件である水を根元から吸い上げて通すパイフ=導管に決定的な違いがあります。広葉樹には発達したハッキリとした水分の通導作用を受け持つ管状の細胞である導管が見られますが、針葉樹は、導管に発達する前の状態で、細胞がその替りに水を順送りする働きの仮導管という進化の遅れた形を残しています。広葉樹の導管は、木口断面には小孔として認められますし、板状にすると板目、柾目で細孔や縦に窪んだ細い筋として見ることができ、樹種によってその大きさ、配列状態にそれぞれ特徴があります。この導管の有無と形状が、木理に現れ、使用方法や使用する部位を決めるひとつの要素になっています。

針葉樹林と広葉樹林の主な違い
要素 針葉樹林 広葉樹林
道管
ない
ある
仮道管
ある
少数に認められる
放射組織
ある
ない
軸方向柔組織
ほとんどない
ある
乳管・乳跡
ない
少数に認められる
材内師部
ない
少数に認められる

木が縦にスパッと割れるのは繊維(導管・仮導管)が生長方向(縦)に向って伸びているからですが、針葉樹は主に、軸と平行に走っていることから通直な木理を見せます。広葉樹は、繊維が通直に伸びるより、傾斜したり、幹のまわりをら旋状に伸びたり、複雑に交錯したりすることから斜走、ら旋、交錯、波状の木理を見せています。この木理が、板やツキ板にした時に、変化に富んだ木目となり、絹糸を引いたり、チヂミのような材面を作り出します。

次に比較される違いは比重にあります。通常、針葉樹は、ソフトウッドと言って軟らかい木とされ、広葉樹は、ハードウッドと言って硬い木とされています。これは、木材を大気中で乾燥した状態(含水率15%時を言うこともある)の重量を、孔隙を埋めた状態で除した値の気乾比重で現されます。これは樹種によって異りますが、針葉樹の場合、およそ0.4から重いもので0.5以上ですが、広葉樹の場合は軽いもので約0.5、重いもので0.9近くまであり、中には1.0を超える重くて硬い木で、水に沈むものまであります。

木材の「節」とは?

木材は光合成生産物ですので、幹の中には必ず節(ふし)が存在します。葉で生産された栄養分は枝の師部へと移動しながら枝と幹のあらゆる肥大成長に利用されます。枝が生きている間は、枝と幹とは組織的にしっかりとした関係を保っており、幹と枝は一体となっています。

しかし、枝の生命活動が失われた時には、幹と枝との間でそれまで保たれていた組織的で密接な関係は保てなくなります。例えばより上部の枝に新しい葉が広がった場合、それより下部にある枝の葉は十分な光合成を行う事ができなくなり、やがて生命活動が失われていきます。

枝は樹木の生活にとっては必要不可欠なものですが、木材を利用する際にはまれに欠点となる事もあります。節の種類には生きている枝から生じた「生節」、枯死した枝でありながら幹とはしっかり結合している「死節」、そして死枝や腐った枝で抜け落ちてしまうような「抜け節」などが存在します。

木材の「あて材」とは?

あて材とは、簡単に言うと傾いた木や曲がった木のある部分にできる特殊な性質の材の事を表します。針葉樹では「圧縮あて材」、広葉樹では「引張あて材」と呼ばれます。

木材組織学的定義においては、「幹や枝を元来の正しい位置に維持しようとするために、その正しい位置が乱された場合に、傾斜あるいは湾曲した幹および枝の部分にできる多少とも特異な解剖学的性質を示す木部」と定義されています。あて材では細胞の形や化学成分が正常材と異なるために、あて材を含んだ木材料は、利用に際して十分な注意が必要となります。

木材の「狂い」とは?

木材の狂いとは、木材の切削加工時や乾燥時に、応力の材内および材面での不均一な分布によって生じる材変形の総称のことを指します。樹幹内の内部成長応力や木理、木取り、あて材の存在、さらには水分ムラや組織による収縮率の違いなどの複合的な要素によって発生し、そりやねじれの他、ダイアモンドと呼ばれるひし形の変形などがあります。

特にそりには幅反り、縦反り、曲がり等があり、これらも含めた全ての狂いは、加工がしにくくなったり、歩留まりが落ちるなど、材の利用上の欠点となります。対策としては、まず木取り方を工夫したり、乾燥時に圧縮等の処置をすることが大切です。

木材の「木理:もくり」とは?

木理(もくり)とは、樹木の樹軸や木材の軸方向に対する細胞の並び方の事を指します。例えば、樹軸に対して傾いているらせん状であれば「らせん木理」と呼び、垂直であれば「通直木理」と呼んだりします。通直木理は立木であれ製材品であれ、通直に細胞が配列するもので、何らかの方向や傾きの細胞配列をもつものを交走木理と呼びます。

交走木理は材中で目切れなどが起きやすく。一般的に強度性能的にはマイナスとされます。しかし繊維傾斜の程度により差があります。またらせん木理は乾燥時にねじれやすいという特徴があります。

木材の「心材・辺材」とは?

心材とは、「着色や含水率の変化に関わらず樹幹の内方に位置し、もはや生きた細胞が無い部分」の事を指します。一般的に濃色を呈していますが、中には心材がほとんど無色のものもあります。着色部や含水率が変化する境界と細胞の壊死する部分との境界がほぼ一致するため、最近では辺心材境界を細胞の生死境界とする考え方が一般的になっています。心材は辺材に比べて、一般的に耐久が高いといわれています。心材では含水率が辺材に比べて低く、腐朽菌が繁殖しにくい事が一つの原因ですが、樹種固有の心材物質が沈着もしくは細胞壁内に浸潤している事が大きな理由です。

耐久性を増加させる心材物質は着色とは直接関係がありません。主な耐久効果のある心材内に見られる化学成分にはフェノール類やテルペン類などがあり、抗菌性や抗蟻性などを示します。またある種の成分は細胞壁の疎水性を増し水分をはじくために菌繁殖が抑えられる効果もあるといわれています。従って、例えば屋外で使用する木材は逆に耐久性の高い心材を使用するのが良いと考えられています。

木材の「杢:もく」とは?

様々な原因によって繊維の錯綜が生じたり、放射組織の配置や年輪の走り方などによって木材の表面に生じた模様を「杢:もく」と呼びます。樹種によって様々な杢が現れ、杢の名称は材面の模様から多分に連想的ないし感覚的に命名され、その他にも市場によって杢の呼び名も種々存在しています。

ケヤキの玉杢など、樹齢数百年を経てようやく現れるような希少価値の高い杢もあり、このような装飾的な価値の高い杢は一般に極めて高価に取引されています。そのままの杢材として利用される他に、最近ではきわめて薄い板にして合板や集成材などの上に化粧貼りして用いる手法も一般的になっています。

木材の強度的特長

木材は左の図のように、繊維方向(L)、半径方向(R)、接線方向(T)の互いに直行する3軸をもっています。

これらの2軸はそれぞれLR面(柾目面)、LT面(板目面)、RT面(木口面)の3材面を形成します。

木材の強度的性質はこれらの軸方向によって大きく異なります。

例えば針葉樹林のヤング係数比較では、

E(L)、E(R)、E(T)の間に、

E(L):E(R):E(T)=100:10:5

の関係があることが一般的に知られています。

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